一種低副瓣高增益裂縫天線的設(shè)計(jì)

張成果，石 磊，袁 洪

(1.91278部隊(duì)，遼寧 大連116041；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

一種低副瓣高增益裂縫天線的設(shè)計(jì)

張成果1，石 磊2，袁 洪2

(1.91278部隊(duì)，遼寧 大連116041；2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

介紹了一種新的波導(dǎo)裂縫天線設(shè)計(jì)的方法。該方法根據(jù)Elliott的經(jīng)典理論給出理想狀態(tài)下的輻射縫隙參數(shù)與線源口徑分布的數(shù)學(xué)關(guān)系，利用電磁仿真軟件提取不同狀態(tài)下裂縫的參數(shù)，擬合得到輻射縫隙電導(dǎo)和裂縫位置長(zhǎng)度等物理量間的關(guān)系，由此計(jì)算出縫隙的各個(gè)參量。與傳統(tǒng)方法相比，該方法省去了實(shí)驗(yàn)測(cè)試的環(huán)節(jié)，提高了設(shè)計(jì)精度，縮短了設(shè)計(jì)周期，滿足了低副瓣的設(shè)計(jì)需求。

波導(dǎo)裂縫天線；低副瓣；高增益

0 引 言

波導(dǎo)裂縫天線陣由于結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕、加工方便、低成本、高增益并且易于實(shí)現(xiàn)超低副瓣等優(yōu)點(diǎn)而得到了廣泛應(yīng)用。其基本原理是利用在波導(dǎo)寬壁或窄壁上開(kāi)有的裂縫來(lái)切斷波導(dǎo)壁上的電流而產(chǎn)生輻射。波導(dǎo)裂縫的輻射強(qiáng)度和相位可以通過(guò)改變裂縫偏置或傾角來(lái)控制。傳統(tǒng)波導(dǎo)裂縫天線設(shè)計(jì)時(shí)需要制作若干不同物理參量的裂縫天線試驗(yàn)件，通過(guò)測(cè)量的方法提取裂縫的電參數(shù)。設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)成本高，且精度有限。本文利用Elliott關(guān)于波導(dǎo)裂縫的理論基礎(chǔ)[1]，結(jié)合計(jì)算機(jī)仿真的方法，提取了裂縫電參數(shù)。與以往的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法相比，本設(shè)計(jì)方法不需要通過(guò)試驗(yàn)測(cè)試環(huán)節(jié)來(lái)得到縫隙電參數(shù)，使得設(shè)計(jì)周期和成本大大減少。設(shè)計(jì)精度的提高可實(shí)現(xiàn)低副瓣的要求。最后，通過(guò)對(duì)天線增加反射板的方法使得增益得到了很大提高。

1 設(shè)計(jì)原理和方法

1.1 縫隙和線源選擇

常用的波導(dǎo)裂縫有寬邊偏置縫、寬邊傾斜縫和窄邊傾斜縫，如圖1所示。寬邊偏置縫常用作平板裂縫天線的輻射單元。寬邊傾斜縫可用作饋電單元。窄邊傾斜縫多用作水平極化天線。根據(jù)垂直極化的需求，這里采用寬邊偏置縫為輻射單元。

圖1 寬邊偏置縫、寬邊傾斜縫和窄邊傾斜縫

根據(jù)電磁波在波導(dǎo)內(nèi)的傳播方式，波導(dǎo)裂縫天線可分為駐波陣和行波陣。當(dāng)波導(dǎo)終端短路且相鄰縫隙間距為導(dǎo)內(nèi)波長(zhǎng)一半時(shí)，波導(dǎo)內(nèi)的電場(chǎng)分布呈駐波狀態(tài)，叫作駐波陣。圖2為寬邊裂縫的駐波陣。

圖2(a) 寬邊縱向并聯(lián)縫隙駐波陣

圖2(b) 寬邊傾斜串聯(lián)縫隙

行波陣是指波導(dǎo)終端接負(fù)載以吸收剩余功率的縫隙陣列天線。這種陣列縫隙單元間距不等于λg/2，波導(dǎo)內(nèi)場(chǎng)接近行波場(chǎng)分布規(guī)律，因此稱為行波陣。本天線采用單根波導(dǎo)，選用行波陣以達(dá)到較高的輻射效率。

1.2 裂縫參數(shù)的計(jì)算

1.2.1 行波陣的設(shè)計(jì)方法

當(dāng)所有裂縫以等間距d≠λg/2排列在一根波導(dǎo)上且最后一個(gè)縫后接匹配負(fù)載時(shí)陣列為行波陣(非諧振陣)時(shí)，模電壓的幅度不再相等。其等效電路如圖3所示。

圖3 行波陣等效電路

對(duì)于行波陣來(lái)說(shuō)，由于每個(gè)縫隙間距不等于半導(dǎo)內(nèi)波長(zhǎng)，因此每個(gè)縫隙間會(huì)有一個(gè)固定的相位差，導(dǎo)致波束方向在H面內(nèi)偏移。對(duì)于縫隙間距d，不能過(guò)小導(dǎo)致縫隙重疊，也不能過(guò)大導(dǎo)致柵瓣產(chǎn)生。因此，縫間距d有一個(gè)范圍，即

主瓣方向?yàn)?/p>

在陣元數(shù)目較多的情況下，每個(gè)縫隙的輻射功率僅是總功率的一小部分。因此，每個(gè)縫隙可看作波導(dǎo)中的一個(gè)小的不連續(xù)，它對(duì)入射波產(chǎn)生較小的反射。此外，由于縫隙間距不等于半導(dǎo)內(nèi)波長(zhǎng)，各縫隙產(chǎn)生的發(fā)射也不能同相疊加，因此在陣列的輸入端駐波較小[2]。

設(shè)陣列輸入功率為1，令r為匹配負(fù)載的吸收功率，則第N個(gè)縫隙處的入射功率為r+PN，在等效電路特性阻抗歸一化的條件下，此縫隙的等效電壓VN與入射功率滿足

另外，等效輸入電導(dǎo)為gN的縫隙，其輻射功率為

由上兩式可推出：

因此

由此可遞推得到

(1)

對(duì)于陣列的幅度分布和單元的輻射功率，有如下的關(guān)系：

兩邊求和可得到

(2)

陣列幅度分布和吸收功率都是已知的，由此可求出常數(shù)K，進(jìn)而可求得每個(gè)縫隙的輻射功率Pn，從而可得到每個(gè)縫隙的電導(dǎo)值。再根據(jù)實(shí)驗(yàn)或仿真得到的擬合數(shù)據(jù)，可求出每一個(gè)縫隙的偏置量和諧振長(zhǎng)度。

1.2.2 仿真數(shù)據(jù)擬合

對(duì)20個(gè)等參量的縫隙線陣進(jìn)行仿真，得到一系列不同縫隙物理參數(shù)下的電導(dǎo)數(shù)據(jù)。將電導(dǎo)參量和縫隙物理量進(jìn)行擬合，得到電參量與物理參量之間的關(guān)系。

諧振長(zhǎng)度與偏置量的擬合方程為

v(x)=k(7.6962+0.0143x2)

歸一化電導(dǎo)與偏置量的擬合方程為

g(x)=0.0348x2-0.000555x+0.000042

根據(jù)擬合方程和計(jì)算得到的電導(dǎo)值即可算出縫隙的偏置量和長(zhǎng)度。

圖4 諧振長(zhǎng)度與偏置量的擬合曲線

圖5 歸一化電導(dǎo)與偏置量的擬合曲線

1.3 反射板的設(shè)計(jì)

根據(jù)天線指標(biāo)中對(duì)俯仰面波寬和增益的要求，單一線源并不能滿足，需在天線上下兩邊增加反射板來(lái)達(dá)到波束變窄的效果。依據(jù)最佳喇叭的主瓣寬度公式：

由此可計(jì)算得到反射板長(zhǎng)85 mm，兩反射板與水平面夾角12.5°，反射板之間夾角25°。

圖6 反射板結(jié)構(gòu)示意圖

2 仿真和測(cè)試結(jié)果

2.1 仿真結(jié)果

設(shè)計(jì)天線全長(zhǎng)2500 mm左右，裂縫共93個(gè)，根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果得到裂縫寬度w=1.56 mm。波導(dǎo)采用BJ-100標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，寬邊尺寸22.86 mm，窄邊尺寸10.16 mm，壁厚1 mm。仿真結(jié)果如表1(其中fn+1-fn=10 MHz)。圖7和圖8為仿真結(jié)果的方向圖。

2.2 測(cè)試結(jié)果

天線在近場(chǎng)進(jìn)行了掃描測(cè)試，結(jié)果如表2。圖9和圖10為測(cè)試結(jié)果的方向圖。

表1 仿真結(jié)果

圖7 帶反射板的波導(dǎo)線源方位面方向圖

圖8 帶反射板的波導(dǎo)線源俯仰面方向圖

表2 掃描測(cè)試結(jié)果

圖9 方位面方向圖

圖10 俯仰面方向圖

3 結(jié)束語(yǔ)

本文以波導(dǎo)裂縫的經(jīng)典電磁理論為基礎(chǔ)，結(jié)合電磁仿真軟件的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)縫隙電導(dǎo)參數(shù)的仿真和擬合，省去以往波導(dǎo)裂縫天線設(shè)計(jì)中的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，使得設(shè)計(jì)周期和成本大大減小。采用一定數(shù)量的同參量縫隙進(jìn)行仿真，得到了互耦狀態(tài)下的裂縫參數(shù)值，減少了繁瑣的互耦計(jì)算，提高了設(shè)計(jì)精度，可更好地實(shí)現(xiàn)低副瓣。根據(jù)仿真結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果的對(duì)比，其結(jié)果吻合很好，證明了此方法的準(zhǔn)確性。此方法的特點(diǎn)是通過(guò)電磁仿真軟件快速提取參數(shù)，由此可推廣至所有的波導(dǎo)裂縫天線的設(shè)計(jì)，可大大提高天線工程設(shè)計(jì)的效率。

[1] Robert S Elliott. Antenna Theory and Design[M]. New Jersey,Pretice-Hall,Inc.,1981.

[2] Robert S Elliott.On the Design of Traveling-Wave-Fed Longitudinal Shunt Slot Arrays[J].IEEE TRANSACTIONS ON ANTENNAS AND PROPAGATION, 1979,27(5).

Design of low-sidelobe high-gain slotted arrays

ZHANG Cheng-guo1, SHI Lei2, YUAN Hong2

(1.Unit 91278 of the PLA, Dalian 116041, China; 2.No. 724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

A new method of the waveguide slotted arrays is designed. According to the classical theory of Elliott, the mathematical relationship of the radiating slot parameters and the linear source caliber distribution under an ideal condition is given. The parameters of the slots under different conditions are gained through the electromagnetic simulation software. The simulation data are fitted, and then the relationships of the radiating slot conductance and the location and length of the slots are got. All the parameters of the slots are calculated. Compared with the conventional methods, this method features higher design accuracy and shorter design cycle with the test steps saved, meeting the requirements of the low sidelobe.

waveguide slotted arrays; low sidelobe; high gain

2014-10-20

作者簡(jiǎn)介：張成果(1969-)，男，高級(jí)工程師，研究方向：雷達(dá)總體技術(shù)；石磊(1983-)，工程師，碩士，研究方向:天線饋線設(shè)計(jì);袁洪：1981年生，工程師，碩士，研究方向?yàn)樘炀€仿真設(shè)計(jì)。

TN823.24

A

1009-0401(2014)04-0046-04